Sollten Sie Power-MOSFETs parallel schalten?

Der unerschrockene Entwickler von Stromversorgungssystemen sollte alles über MOSFETs und ihre besonderen elektrischen Eigenheiten wissen, aber das Arbeiten mit Arrays von MOSFETs kann eine andere Herausforderung sein. Eine Anordnung, die Ihnen in einem Stromumwandlungssystem begegnen könnte, ist das parallele Schalten mehrerer Power-MOSFETs. Dies verteilt die Last auf mehrere MOSFETs mit dem Ziel, die Belastung der einzelnen Transistoren in Ihrem System zu reduzieren.

Leider teilen MOSFETs (und nichtlineare Komponenten im Allgemeinen) den Strom nicht einfach unter sich auf, wie es beispielsweise eine Gruppe von Widerständen in Parallelschaltung tut. Genau wie bei einem einzelnen MOSFET wird nun die Wärme zu einer Überlegung, da sie das Schwellenverhalten in MOSFETs bestimmt (dies gilt wiederum für jeden realen nichtlinearen Schaltkreis). Um zu verstehen, wie diese Komponenten in dieser Anordnung miteinander interagieren, müssen wir uns die Parasiten ansehen, die innerhalb eines MOSFET-Chips und zwischen Leistungs-MOSFETs in Parallelschaltung existieren, damit Sie verhindern können, dass Komponenten sich selbst zerstören.

Arbeiten mit parallelen MOSFETs

Wie bei jedem anderen Bauteil, sei es linear oder nichtlinear, können auch Mehrfachkomponenten oder Schaltungsnetzwerke parallel geschaltet werden. Dies gilt auch für Power-MOSFETs, BJTs oder andere Gruppen von Komponenten in Ihren Schaltplänen. Bei 3-Terminal-Geräten wie MOSFETs, bei denen Strom an zwei Terminals geliefert werden muss, ist die beteiligte Konfiguration möglicherweise nicht so intuitiv. Das untenstehende Schaltbild zeigt ein Beispiel aus einem Stromwandler, bei dem vier MOSFETs parallel auf der Ausgangsseite des Wandlers angeschlossen sind.

Beachten Sie, dass an jedem MOSFET ein kleiner Widerstand angeschlossen ist (ich werde gleich erklären, warum). Es gibt auch einen einzelnen Gate-Impuls von einem synchronen Treiber am VG_PWM-Anschluss, der verwendet wird, um jeden MOSFET gleichzeitig zu schalten. Mit anderen Worten, diese MOSFETs werden nicht in kaskadierter Weise angesteuert; sie werden so angesteuert, dass sie alle gleichzeitig einschalten und den Stromfluss gleichzeitig ermöglichen.

Die Vorteile, MOSFETs auf diese Weise zu verbinden, liegen darin, dass jeder von ihnen geringeren Strom an eine Last liefern kann. Mit anderen Worten: Der Gesamtstrom wird gleichmäßig auf jeden MOSFET aufgeteilt, vorausgesetzt, sie haben den gleichen Einschaltwiderstand. Dies ermöglicht jedem Power-MOSFET, hohen Strom zu liefern und dennoch eine hohe Stromreserve zu haben, was dann die Menge an Wärme reduziert, die sie erzeugen.

Zwei Punkte fehlen jedoch in der typischen Analyse von parallel geschalteten Power-MOSFETs enthalten: Parasitäre Elemente im MOSFET. Parasitäre Elemente erzeugen bereits Bandbreitenbegrenzung, Filterung oder Resonanzeffekte in realen Komponenten. Wenn wir jedoch mehrere Power-MOSFETs parallel haben, die mit einem hochfrequenten PWM-Signal angesteuert werden, können ihre parasitären Elemente miteinander interagieren und die Möglichkeit einer unerwünschten Oszillation während des Schaltvorgangs erhöhen. Dies würde dann als Störung am Systemausgang erscheinen und kann zu übermäßiger Erwärmung im betroffenen MOSFET führen.

Simulation von parallel geschalteten Leistungs-MOSFETs

Wenn Sie mehrere Power-MOSFETs parallel geschaltet haben und simulieren möchten, wie parasitäre Schwingungen entstehen könnten, können Sie eine einfache Schaltung mit einem Gate-Treiber für Ihre spezifischen MOSFETs aufbauen. Stellen Sie sicher, dass Sie das passende Simulationsmodell an Ihre Komponente angehängt haben, wobei das Modell die Streukapazität zwischen den verschiedenen Pins in der Komponente beinhaltet. Ein Beispiel einer Schaltung mit einer Last auf der Source-Seite wird unten gezeigt.

Ich habe eine VPULSE-Quelle aus der Bibliothek Simulation Sources.IntLib verwendet, um einen PWM-Treiber zu modellieren. Die Diode D1 ist eine 1N914-Diode, die in einem Gate-Treiber-Schaltkreis für einen NMOS-Transistor angeordnet ist. Von hier aus müssen Sie lediglich eine transiente Analyse durchführen, um den Strom und die Leistung zu untersuchen, die von den MOSFETs an die Last geliefert werden.

Beachten Sie, dass es einige Größen gibt, die in dieser Simulation von Interesse sind:

• PWM-Anstiegszeit: Diese bestimmt die Bandbreite des PWM-Signals und sollte auf die Spezifikationen Ihres MOSFET abgestimmt sein.
• PWM-Frequenz: Ein PWM-Signal mit höherer Frequenz wird eine niedrigere Impedanz durch die parasitäre Kapazität sehen, was mehr Leistung in die parasitäre Rückkopplungsschleife einspeist und möglicherweise das System in Resonanz treibt.
• Gate-Spannung: Da die Reaktion eines MOSFET von der Größe der Gate-Spannung abhängt, wird dies auch jede parasitäre Oszillation tun, die entsteht, wenn das PWM-Signal das parallele Array schaltet.

Sie können die Auswirkungen von parasitärer Induktivität und parasitärer Kapazität in einer transienten Simulation leicht erkennen. Das folgende Beispiel zeigt Ergebnisse für das Paar von MOSFETs oben, wenn die parasitäre Kapazität und Induktivität im Simulationsmodell enthalten sind. Beachten Sie die großen Störungen, die in der Zeitbereichsantwort deutlich sichtbar sind, wenn das PWM-Signal schaltet.

Dämpfung unerwünschter Oszillationen und Temperaturanstiege

Wie bereits erwähnt, können diese unerwünschten Oszillationen in verschiedenen MOSFETs im Array auftreten, wenn es ein Temperaturungleichgewicht gibt. Mit anderen Worten: Die Bedingung für Resonanz in einem MOSFET kann sich von der in einem anderen MOSFET unterscheiden.

Wenn ein MOSFET starke Oszillationen erfährt, bevor die anderen MOSFETs bei einer gegebenen Gate-Spannung dies tun, dann kann das Bauteil sich selbst zerstören. Daher ist es am besten, diese Komponenten auf der gleichen Temperatur zu halten, wenn sie in Serie geschaltet sind. Dies kann mit einem großen Kühlkörper oder einer Planlage unter den Komponenten in Ihrem PCB-Layout erreicht werden.

Eine andere Möglichkeit, die Bedingungen für Resonanz zu ändern, besteht darin, einen Gate-Widerstand in den Treiberschaltkreis einzufügen (siehe oben, wo ein kleiner 5-Ohm-Widerstand enthalten ist). MOSFETs in Halbbrücken-LLC-resonanten Wandlern können einen sehr großen Widerstand haben, der die Quellen und das Gate verbindet, um eine hohe Dämpfung zwischen diesen beiden Anschlüssen zu bieten. Sie können mit diesen Widerstandswerten experimentieren, um zu untersuchen, wie sie die Dämpfung im Parallelschaltkreis beeinflussen.

Die analoge Simulation ist ein zentraler Bestandteil des Schaltungsentwurfs, einschließlich für parallel geschaltete Power-MOSFETs. Die Schaltungsentwurfs- und PCB-Layout-Tools in Altium Designer® bieten Ihnen einen kompletten Satz an Funktionen, um Ihre Schaltungen zu erstellen, das Signalverhalten zu simulieren und Ihr PCB-Layout zu erstellen. Sobald Sie Ihren Schaltplanentwurf qualifiziert haben, können Sie Ihre Entwurfsdaten auf der Altium 365®-Plattform teilen, was Ihnen eine einfache Möglichkeit bietet, mit Ihrem Entwurfsteam zusammenzuarbeiten und Ihre Entwurfsdaten zu verwalten.

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